Dans le cadre de l’étude de la fatigue thermique de tuyauteries du parc de centrales nucléaires, des essais de fatigue multiaxiale à grand nombre de cycles sont effectués pour tenter de quantifier l’effet de la multiaxialité et de contrainte moyenne sur la durée de vie du matériau et alimenter un modèle d’endommagement à deux échelles. Des outils de mesures de champs cinématiques ainsi que d’observations micrographiques sont mis en place afin de tirer le maximum d’information de chaque essai : comportement cyclique, déformation plastique progressive, scénario d’apparition des fissures. Des résultats d’essais proportionnels et non-proportionnels sont présentés.

Les phénomènes de fatigue thermique ou mécanique de matériaux conduisent à l’altération des structures, allant jusqu’à la création de fissures. L’objectif du contrôle non destructif (CND) est de détecter ces fissures et déterminer leurs dimensions, données permettant de statuer sur leurs nocivités et l’endommagement de la structure. Parmi les différentes méthodes de CND, les ultrasons offrent en outre un examen volumique de l’ensemble de la structure, avec une mise en œuvre relativement aisée et non contraignante en termes de sécurité et règlementation. L’interaction entre les ondes ultrasonores et les discontinuités ou fissures présentes au sein de la structure conduit à des échos observés en réception, lesquels après interprétation permettent de dimensionner voire caractériser les défauts à l’origine de ces échos. Selon la nature de l’endommagement (fissure isolée ou réseau de défauts, par exemple dans le cas d’un faïençage thermique, fissure ouverte ou partiellement fermée) et la technique de contrôle utilisée, des phénomènes plus ou moins complexes sont mis en jeu : interaction entre une fissure et un réseau de faïençage proche, contacts partiels entre les faces de la fissure sous l’effet de contraintes … Ces phénomènes peuvent limiter les capacités de dimensionnement, voire même de détection des fissures. Dans cet article, différentes applications menées par le CEA LIST, dans le domaine nucléaire, sont discutées. Ces techniques reposent sur l’utilisation de capteurs multi-éléments ultrasonres, permettant de maîtriser l’orientation et la focalisation du faisceau ultrasonore rayonné dans la pièce, de façon à optimiser la détection et le dimensionnement de défauts. Différents défauts ont été étudiés : fissure de fatigue mécanique inspectée par ultrasons sous contrainte ou hors contrainte, fissure de fatigue thermique, en présence ou non d’un réseau de faïençage. Ces techniques sont optimisées à partir des outils de simulation disponibles au sein de laplateforme logicielle multi-techniques (ultrasons, courants de Foucault, radiographie) CIVA, permettant de prédire les résultats des inspections et ainsi de concevoir et/ou optimiser des techniques de contrôle. Les performances de ces différentes techniques sont évaluées expérimentalement et confrontées aux simulations.

Un modèle thermique a été développé afin d’identifier les sources de chaleur accompagnant les déformations micro-plastiques intervenant au cours d’un essai de fatigue cyclique. Dans la première minute de chaque palier, un modèle de barre infinie permet de différer la prise en compte des pertes conductives par les mors. Les sources sont identifiées au fil des paliers de chargement croissant, tout en évitant d’entrer dans le domaine de plasticité macroscopique.

Une démarche de développement d’un modèle probabiliste à deux échelles pour la fatigue HCF des aciers est proposée. Elle est basée sur l’utilisation de mesure d’auto-échauffement sous chargements cycliques et est validée sur la base de la prévision des courbes de Wöhler d’un acier dual-phase pour différents rapport de charge.

Pour améliorer la tenue mécanique à la fatigue polycyclique des matériaux de fonderie, la Compaction Isostatique à Chaud (CIC) peut être utilisée. Elle consiste en un traitement thermomécanique des pièces moulées afin de refermer, complètement ou partiellement, les défauts initiaux qu’elles contiennent. On propose ici d’utiliser des mesures d’auto-échauffement sous chargements cycliques et un modèle associé pour caractériser le gain en tenue à la fatigue apporté par le procédé CIC sur un alliage cupro-aluminium de fonderie.

Ce travail est dédié à l’étude de l’endommagement en fatigue polycyclique sous sollicitations multiaxiales de matériaux métalliques, suivant deux objectifs. Le premier est la caractérisation expérimentale de cet endommagement, pour des sollicitations simples (traction et torsion), mais également pour des blocs de sollicitations différentes. Le second objectif est la modélisation des phénomènes observés incluant l’usage de la mécanique de l’endommagement.

Cette modélisation est établie dans un cadre thermodynamique, suivant une description mésoscopique de la plasticité cyclique, avec un couplage fort des variables décrivant le dommage cristallin. La version isotrope présentée ici utilise deux variables distinctes pour décrire l’endommagement du cristal. La première variable permet de considérer les effets de la dégradation du cristal sur ses propriétés plastiques, alors que la seconde est une mesure équivalente de l’usure du cristal. L’évolution relative de ces deux variables dépend en premier lieu de la part hydrostatique du tenseur mésoscopique des contraintes.